和田河中游建閘前后上下游河道沖淤變化模型試驗研究

楊澤慧

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

庫木巴克引水樞紐所在的和田河中游河段為沖積性河道,樞紐段為砂質(zhì)河床,兩岸為沙漠區(qū),河床游蕩多變,特別是洪水時沖刷劇烈,河道的沖淤演變對樞紐的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。同時引水樞紐工程的建設(shè)和運(yùn)用將改變現(xiàn)狀河道的邊界,對所在河段的泄洪、水位及河道演變產(chǎn)生影響；本次主要了解并掌握引水樞紐上下游河道泥沙沖淤變化規(guī)律。

本文通過對和田河中游河段進(jìn)行模型試驗,分析河道水沙運(yùn)動及泥沙沖淤的影響,對和田河中游建閘前后上下游河床動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行初步歸納和總結(jié)。

1 工程概況

庫木巴克引水樞紐為Ⅲ等中型工程。由引水閘、泄洪沖砂閘及上、下游導(dǎo)流堤組成。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)P=3%,洪水流量為1355 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=3%,洪水流量為1645 m3/s,采用正面泄洪排砂、左右岸兩側(cè)引水,引水角均為30°。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 河段選取與布置

選定試驗河段長約7 km,其中閘址以上約6 km,閘址以下約1 km,主槽寬度變幅約150 m~1200 m,河道水面比降約0.56‰。模型進(jìn)口由清水和渾水兩套管路采用電磁流量控制水沙過程,試驗河段布設(shè)有8 個固定水位觀測點(diǎn),2 個測流斷面,30 個地形觀測斷面,洪水期河勢通過人工和攝錄同步觀測。其中C1 為閘址斷面,C2 為閘前257 m處斷面,C16 為閘前3014 m處斷面。

2.2 模型試驗方案與條件

根據(jù)試驗研究目的,試驗水沙條件選擇P=3%的設(shè)計洪水過程,以現(xiàn)狀河道和建閘兩種情況為地形邊界條件,組合形成兩組方案開展模型試驗,以研究建閘對河道沖淤和工程安全運(yùn)行的影響。試驗期間主要開展以下內(nèi)容觀測：①沿程水位；②閘前典型斷面流速分布；③橫斷面沖淤變化；④河勢演變情況等[1]。

試驗條件主要包括初始地形、河道工程條件、進(jìn)口水沙量及出口水位控制等方面內(nèi)容。初始地形資料是實測地形和斷面資料,局部河勢參考最新的航測圖片。床沙和懸沙級配依據(jù)現(xiàn)場采集的床沙資料。進(jìn)口水沙條件,采用設(shè)計洪水的水沙過程。出口水位控制,現(xiàn)狀方案（建閘前）依據(jù)閘址的水位流量關(guān)系確定,建閘后按提出的樞紐調(diào)度運(yùn)用原則控制,當(dāng)大河來水小于800 m3/s時,閘前水位控制為1296.6 m,當(dāng)大河來水超過800 m3/s時,泄洪閘全部開啟,控制引水閘開度,保證引入灌區(qū)所需水量。引水閘開啟度按分水流量大小,依據(jù)孔口堰出流理論計算控制。

2.3 相似準(zhǔn)則

按照《河工模型試驗規(guī)程》（SL 99-2012）關(guān)于模型比尺設(shè)計的要求,模型設(shè)計主要是基于幾何形態(tài)相似、水流運(yùn)動相似、泥沙輸移相似[2]、河床變形相似等理論的動床模型,具體公式參見參考文獻(xiàn)[3-4]。

此外,為保證模型與原型水流流態(tài)相似,還需滿足如下兩個限制條件：①模型水流必須是紊流,要求模型水流雷諾數(shù)Re*m>800 ；②模型水流不受表面張力的干擾,要求模型水深hm>1.5 cm。

3 河道沖淤演變特性分析

3.1 河道水位及流速變化特征

3.1.1 河道水位變化

沖積性河道沿程水位是河床阻力和沖淤[5]結(jié)果的綜合反映,洪水前后水位的升降可以反映河道的淤積或沖刷情況。

建閘后,上游的C26、C20 斷面水位流量關(guān)系與自然河道相近,對于靠近閘位的C4 斷面,受引水閘壅高水位運(yùn)用的影響,流量小于800 m3/s時水位變化很小,大于800 m3/s后隨流量增加水位有明顯抬升。洪水前后上段水位下降大,下段下降值明顯減少,流量1340 m3/s時水位為1297.17 m,較自然河道抬高0.4 m。

3.1.2 河段流速及水深分布

建閘后,對于小于800 m3/s的洪水過程,控制閘前水位1296.6 m,除滿足灌溉引水外優(yōu)先使用沖砂閘,泄洪閘部分開啟,泄洪閘上游水流平穩(wěn),在導(dǎo)墻上游迎水面產(chǎn)生繞流并形成明顯的渦漩[6],兩側(cè)水流流速大。來流量大于800 m3/s,泄洪閘全部開啟,隨著來流量的繼續(xù)增大,閘前水位抬高,閘墩阻水導(dǎo)致閘前水面平緩；閘前水位高于正常運(yùn)用水位1296.6 m,導(dǎo)流墻被水流淹沒,閘前水流在較小流量時相對平穩(wěn)。

3.2 河道橫斷面形態(tài)變化

3.2.1 閘前加測斷面

為進(jìn)一步分析閘前沖淤情況,在閘上游70 m和125 m處分別加測C1+1 及C1+2 斷面。

與初始地形相比,根據(jù)閘前加測斷面C1+1 和C1+2 觀測結(jié)果,兩側(cè)靠近導(dǎo)流墻的區(qū)域沖刷強(qiáng)烈、中間泄洪段斷面沖刷較弱,但深泓變化和平均河底高程變化接近,C1+1 和C1+2 斷面分別變化約1.2 m和1.0 m,洪水后導(dǎo)流堤之間的河底高程較自然河道相對平整。

3.2.2 河道斷面

建閘后設(shè)計洪水過程各典型斷面沖淤變化見圖1。從洪水前后沿程典型斷面圖來看,河槽橫斷面形態(tài)變化與自然河道條件相近,上游寬淺斷面洪水后形成深槽,下游窄深河段洪水后形成“U”型河槽。

圖1 建閘后設(shè)計洪水過程典型斷面沖淤變化

3.3 河道沖淤量及沿程變化

建閘后,洪水前后河床沖刷仍然顯著。研究河段平均沖刷面積628.31 m2,平均河底高程下降1.30 m,深泓高程平均下降2.27 m；洪水前后沖刷面積上段大、下段小的特點(diǎn)更加明顯,河床高程下降值則為上段大、下段小。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）對比分析洪水前后不同流量級（500 m3/s、800 m3/s、1000 m3/s）情況下水位變化。建閘后同一斷面經(jīng)過洪水沖刷后,大流量時水位下降值較小,小流量時水位下降值大,上游斷面更加顯著,即河床經(jīng)過大流量沖刷后在短時段內(nèi)得以維持。

（2）隨洪水過程持續(xù),河道斷面呈現(xiàn)沖深拓寬的現(xiàn)象,水深增加,最大流速出現(xiàn)在洪峰期。閘前受泄洪和沖砂閘運(yùn)用,以及導(dǎo)流墻對水流的影響,水流斷面分布相對均勻。對于洪水流量小于800 m3/s時,控制閘前水位1296.6 m,當(dāng)洪水流量大于800 m3/s時,泄洪閘全部開啟。

（3）自然河道條件下,洪水期河床發(fā)生沖刷,沖刷強(qiáng)度為上段大下段小。設(shè)計洪水時試驗河段平均沖刷面積724.9 m2,平均河底高程沿程平均下降1.53 m,深泓高程沿程平均下降3.1 m；建閘后沿程沖刷強(qiáng)度發(fā)生變化,洪水前后沖刷面積具有上段大、下段小的特點(diǎn)更為突出。試驗河段平均沖刷面積628.3 m2,寬淺的上段變化較小,C18 以下窄深段沖刷面積減少30.6%；平均河底高程和深泓高程上段下降值與現(xiàn)狀方案接近、下段減小。

4.2 建議

（1）基于高水位時間長可能帶來的問題,建議閘前右岸增加防護(hù)。

（2）在設(shè)計時應(yīng)考慮河床沖刷的影響,工程運(yùn)行初期也應(yīng)加強(qiáng)觀測；受繞流的影響,控制水位運(yùn)行時導(dǎo)流墻附近易形成沖刷坑,應(yīng)考慮局部沖刷的影響。

（3）由于試驗以洪水過程為主,沒有經(jīng)歷小水回淤階段,在運(yùn)行過程中,應(yīng)加強(qiáng)閘前淤積情況觀測,及時泄洪清淤,以免影響引水工程的正常運(yùn)行及洪水時的正常泄洪。